光储微网系统设计与应用

王晓华，孙德亮，李维华（.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥　0009；.阳光电源股份有限公司，安徽合肥　0088；.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥　0009）



光储微网系统设计与应用

王晓华1，孙德亮2，李维华3
（1.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009；2.阳光电源股份有限公司，安徽合肥230088；3.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009）

摘要：文章在光储微网系统相关研究的基础上，给出了光储微网系统的组成架构设计及并网、孤岛模式下的运行控制和模式切换方法，其软件控制模型可使光储微网系统在远程或本地后台的调度下稳定运行，并在电网状态发生变化时做到快速模式切换。

关键词：光储微网系统；并网模式；孤岛模式；模式切换；能量管理系统

0　引言

近年来，在能源短缺、环境问题日益严峻的背景下，国家不断出台对新能源有利的政策，大力鼓励新能源的建设与发展。将分布式发电单元、储能单元及负荷单元相结合组成光储系统，通过微网能量管理系统控制相关装置间的配合，可以使新能源利用最大化，实现发电系统的经济运行和可靠供电。自2001年微电网的概念被提出以来，美国、欧盟、日本等国家和地区加快了微网研究和建设的步伐［1-3］，并结合自身特点分别提出了具有不同特色的微网概念和发展规划，在微网的运行、控制、保护、能量管理以及对电力系统的影响等方面开展了大量的研究工作，取得了一定的进展。微网系统结构复杂，涉及分布式发电、储能、电力电子、热电冷联产等多种技术的相互交叉与融合［4-5］。当前，微电网较成熟的控制技术主要有基于电力电子技术“即插即用”及“对等”概念的控制、基于能量管理系统的控制和基于多代理技术的控制等。控制架构主要有以欧盟ICROGRIDS项目中的微电网中央控制器（MGCC）为代表的主从控制和美国CERTS微电网为代表的对等控制［5-6］。

本文设计了一种由光伏单元、储能单元和负荷单元组成的光储微网系统，由微网能量管理系统协调控制。大电网存在时，可通过调度指令控制光伏单元发电上网，同时通过储能单元对蓄电池进行充放电控制；大电网故障时，可以通过控制储能单元进行无缝切换，保证负荷用电安全，并根据用电情况对光伏单元进行限发控制。

1　光储电站及其系统架构设计

光储微网系统由微网能量管理系统、电网检测控制模块、气象站、光伏发电单元、储能控制单元、负荷单元等组成，其架构如图1所示。

图1　光储微网系统构架

由图1可知，光储微网系统与公共电网通过进线开关相连，公共电网正常时微网能量管理系统根据当前系统状态，进线开关闭合，根据远程调度，控制光伏单元的有功指令，也可以控制系统向电网注入无功能量以改善电能质量。公共电网故障时，微网能量管理系统可控制断开进线开关，控制储能单元建立电网，光伏单元并网发电，微网能量管理系统根据负荷用电情况、储能单元电池状态和光伏发电能力，计算出光伏单元和储能单元的出力分配，控制光储系统可靠运行。

2　光储系统控制算法

2.1模式控制

光储微网系统有并网运行和孤岛运行2种运行模式，根据电网的实际状态，中央控制系统控制光储微网系统在并网运行和孤岛运行2种运行模式间无缝切换。

并网运行模式下，光储微网系统响应远程调度指令，根据采集的储能单元的电池状态、光伏单元状态和负载状态，计算出控制输出，协调控制光伏单元的发电控制、储能单元的充放电管理和负载单元的供电，使光储微网系统发电利用最大化。同时，光储微网系统也可以响应调度的无功调度指令，改善电网电能质量。并网模式下，光储微网系统的运行控制如图2所示。

孤岛运行模式下，微网能量管理系统断开电网连接单元，储能单元工作在VF（电压频率控制）模式，根据负载情况和储能单元电池SOC状态进行仲裁，最终控制光伏单元进行限发，以保证负荷用电安全和管理电池充放电。

电网状态发生变化时，微网能量管理系统可根据电网状态的变化对系统运行模式进行切换。

孤岛模式下电网恢复正常时，微网能量管理系统根据设置可主动或被动进入并网模式运行，系统由VF运行控制转为PQ（有功无功控制）运行控制，重新响应远程的PQ调度指令，根据PQ给定、电池SOC和负载情况，计算储能单元电池充放电控制和光伏单元的发电控制。孤岛模式下，光储微网系统的控制如图3所示。

图2　并网模式光储微网系统运行控制图

图3　孤岛模式光储微网系统运行控制图

并网模式下电网发生故障时，储能单元检测到电网故障自动转入孤岛模式运行，微网能量管理系统根据储能单元状态自动转入孤岛控制模式，根据负载和储能单元电池SOC状态控制光伏单元的发电和储能单元电池的充放电管理。

2.2光储统一控制算法

光储系统中，各分布式发电设备在能量管理系统的统一调度下，呈现出与传统旋转发电机组相类似的输出特性。在实现负荷自动均衡匹配的同时，确保了微电网内部光伏最大功率跟踪和蓄电池充放电管理［7-8］。

光储统一控制算法，将蓄电池电量（SOC）控制、虚拟同步发电机（VSG）控制及光伏最大功率跟踪（MPPT）相结合，使网内各分布式发电设备呈现出下垂特性，能够适应冲击性负荷和非线性负荷供电需求，维持微网在一定频率误差范围内的稳定，并为能量管理系统实现电网频率误差控制及经济性能量调度提供了可能与接口［9-10］。

由于同步发电机的转子惯性及调频调压控制特性能够改善电力系统的稳定性，若借助配备的储能环节，使分布式电源能够表现出同步发电机的特性，那么分布式系统的稳定性必定会得到提升［11］。虚拟同步发电机最先由欧洲VSYNC工程提出，荷兰能源研究中心、代尔夫特工业大学等研究机构及高校参与了该工程的理论及试验研究，从外特性上看，该工程提出的虚拟同步发电机等效于受控电流源。加拿大多伦多大学、英国利物浦大学、合肥工业大学、清华大学也相继提出了多种虚拟同步发电机技术，从外特性上看，它们均等效于受控电压源［11］。

虚拟惯性频率控制技术虽然模拟了同步发电机的转子惯性、一次调频及励磁调节特性，但并未充分反映出同步发电机的电磁暂态过程，而文献［12］根据同步发电机的电磁惯性提出了“Synchronverter”技术，更能反映出同步发电机的特性。Synchronverter控制原理框图如图4所示［11，13］。其中，Pset和Qset分别为二次调频有功和无功给定；Dp为有功-频率下垂系数；Dq为无功-电压下垂系数；Mf为励磁绕组与定子绕组间的互感；if为励磁电流；θ为电角度。

图4　Synchronverter控制原理框图

根据同步发电机定转子电磁关系可以得到感应电动势为：

假设励磁电流恒定，则有：

同步发电机有功和无功表达式为：

电磁转矩为：

VSG实现的关键在于合理设置分布式发电设备输出电压的电角度θ及幅值Uref。θ的设置直接表征了电源设备输出的有功功率，因此在设定中不仅需要考虑微网频率偏差，还需要考虑蓄电池SOC应限制在合理范围，尽量实现光伏电力的最大化利用；而输出电压幅值Uref则主要基于并网点无功功率的下垂控制。基于虚拟同步发电机技术的光储统一控制算法如图5所示。

图5　基于虚拟同步发电机技术的光储统一控制算法

其中，mSOC为有功功率下垂特性SOC影响因子；mMPPT为有功功率下垂特性MPPT影响因子；KSOC为SOC下垂控制系数；fΔω为SOC下垂特性频率影响因子；fMPPT为SOC下垂特性MPPT影响因子；η为电压下垂特性影响因子。

2.3蓄电池组均衡控制算法

微网发电系统要求工作在独立模式或并网模式，并具有自我调节和均衡的能力，能够提高微网内可再生能源的发电以及用电效率，同时降低对电网的干扰，为了实现这些功能，储能设备成为微网发电系统不可缺少的部件之一。然而储能设备价格高昂，为延长设备寿命，寻求合理的充放电技术是非常必要的。在大功率微电网系统中，蓄电池将被分成不同单元而独立工作。但是，为了保障蓄电池间运行工况的一致性，延长蓄电池使用寿命，应采取全局性的蓄电池功率控制，以确保各组蓄电池间具有比较一致的充放电工作过程。蓄电池均衡控制算法基于对各组蓄电池参数的采集，主要为直流电压参数，综合设置蓄电池组统一的目标控制电压，并据此对蓄电池的充电功率进行优化管理。

其中，Vdcj为第j组蓄电池电压；n为蓄电池组数；Vdcref为蓄电池均衡控制目标电压。

其中，Pref为蓄电池组总功率控制指令；Prefj为第j组蓄电池功率控制指令。

3　光储系统软件架构设计

光储微网系统软件分为运行控制软件和后台控制软件2个部分，其功能架构如图6所示。

从图6可以看出，运行控制层包含电池SOC控制、AGC控制、模式切换控制、PQ控制以及各设备状态监控等功能；后台控制层包含外部调度接口、能量管理、运行参数监控以及光照、负荷预测功能。光储系统运行控制层通过采集设备层各设备的运行状态，响应后台控制层的调度指令，控制设备进行模式切换。后台控制层主要提供外部调度接口、本地监控操作界面、重要参数预测等功能，运行控制层通过后台控制层获取以上参数，结合采集的设备层运行信息，综合仲裁计算，最终进行模式切换控制和能量管理。

图6　光储微网系统软件功能架构图

4　光储系统的应用

青海省某自治州，地处4 000 m以上的高海拔地区，临近2个县共用1处水力发电设施，供电很不稳定。为提高该地区的生活水平，在县郊投资建设了1个MW级光储微网电站。以已有的水电为主电网，系统由微网能量管理系统统一协调控制。主电网有电时，系统工作在并网模式，光伏向站用电负荷和县城负荷供电，同时对蓄电池组进行充放电管理；主电网断电时，系统切换到孤岛模式，向站用负荷和县城负荷供电。该光储微网系统设计图如图7所示。

图7　某自治州光储微网系统设计图

该光储微网系统以稳定供电为主要目的，并网运行时，响应调度系统的控制，同时完成对蓄电池组的充放电管理；孤岛运行时，储能系统建立电网，光伏逆变器并网运行，光伏发电控制由光储系统微网能量管理系统根据负载和电池组SOC状态控制，可实现负载稳定供电、蓄电池的充放电管理及电池均衡。

电网状态发生变化时，系统可以完成并网、孤岛的双向切换功能。该微网的能量管理监控界面如图8所示。

5　结束语

本文给出了光储微网系统的典型组成架构，设计出一种光储微网系统，给出了光储系统的并网运行和孤岛运行的控制方法，电网发生变化时，微网能量管理系统能在并网和孤岛2种模式间相互切换。该光储微网系统目前已应用于青海某自治州的供电系统中，证明了该方案的可行性。

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（责任编辑胡亚敏）

Design and application of photovoltaic and energy-storage micro-grid system

WANG Xiao-hual，SUN De-liang2，LI Wei-hua3
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Sungrow Power Supply Co.，Ltd.，Hefei 230088，China；3.School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：In this paper，the configuration design of a photovoltaic and energy-storage micro-grid system is proposed，and the methods of operation control and mode switch in grid mode or island mode are described.The proposed software control model makes the photovoltaic and energy-storage micro-grid system stably operate in remote or local background system scheduling and switch fleetly when grid changes.

Key words：photovoltaic and energy-storage micro-grid system；grid mode；island mode；mode switch；energy management system

作者简介：王晓华（1977-），女，河南漯河人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

基金项目：国家863计划资助项目（2011AA05A308）

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-04-20

doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.015

中图分类号：TK019

文献标识码：A

文章编号：1003-5060（2016）01-0079-05